CC BY
67
Статья
низкочастотного высокоамплитудного тремора. Многолетняя работа тренера по психологической и физической подготовке спортсменов сводится именно к активации фазического компонента ФМ [4]. Можно в рамках такого подхода оценить возможности молодых спортсменов в результатативности. Новые методики на базе САС оценки двигательных функций человека могут обеспечить объективную оценку состояния «тревожности» пациента перед операцией, психического состояния спортсмена перед соревнованием (в физиологии и биофизике спорта) и т.д.
Эффекты управляющих воздействий ФМ на показатели 3 системокомплексов исследовались в 2 блоках экспериментов и наблюдений. В 1-м случае исследовались показатели ВНС у нетренированных студентов, тренированных и мастеров спорта) в ходе выполнения физических упражнений в разных видах спорта. Обобщенный показатель СИМ до физкультурных тренировок имел доверительный интервал (2,6-6,4) при среднеарифметическом значении 4,5. После тренировок показатель СИМ составил (20,3-32,6); 26,47. Показатели ПАР до тренировок у этой же группы составили: (16,15-21,85); 19, а после тренировок ПАР имел значение: (4,08-8,87); 6,47 (табл. 1 и 2). Вегетативный системокомплекс у нетренированных мужчин 17-18 лет меняется: показатели СИМ растут в ~6 раз, а ПАР уменьшается в ~3 раза. Изменения для женщин 17-18 лет составили: СИМ до тренировок (2,07-4,46) 3,27, после тренировок (7,53^15,02) 11,46. Показатели ПАР - до тренировок (14,39^19,88) 17,13, после тренировок - (10,32^15,28) 12,8. Сводные результаты статистических расчетов представлены в табл. 1 и 2. У мужчин в ходе тренировок изменения показателей ВНС более значительны, чем у женщин. Это объясняется недостаточной физической нагрузкой для женщин или спецификой женского организма в условиях Севера РФ.
Таблица 2
Результаты статистической обработки данных (критерий Стьюдента 2.15, к =п-1=14, при р=0,95) измерений показателей кардио-респираторной ФСО группы нетренированных девушек (1 курс) до и после физической нагрузки
Показатели <x> D' 5<x> 5"<x> [<x>±dxl
СИМ до 3,27 4,33 2,08 0,56 2,07;4,46
после нагр. 11,47 46,91 6,85 1,83 7,53;15,02
ПАР до 17,13 22,78 4,77 1,28 14,39;19,87
после нагр. 12,8 18,56 4,31 1,15 10,32;15,27
ЧСС до 83,8 165,23 12,85 3,43 76,41 ;91,19
после нагр. 108,6 102,77 10,14 2,71 102,7;114,42
ИНБ до 40 306,67 17,51 4,68 29,94; 50,06
после нагр. 212,67 40819,56 202,04 53,99 96,57;328,76
У девушек, регулярно занимающихся спортом, такое реверсирование не характерно. Однако все они дают повышение симпатической активности после тренировок и снижение парасимпатической активности в 2-3 раза. У нетренированных лиц эти изменения (до и после тренировок) значительные, особенно для юношей. Для них характерно и значительное изменение индекса Баевского (до - 71,1, после -590). Нетренированные же девушки давали меньшее изменение индекса Баевского (до - 40, после -212,7) для среднеарифметических значений. Тренированные девушки отличались от нетренированных по индексу Баевского. До тренировок у девушек (игровые виды спорта) индекс составил
- 67,8, а после - 168,9. Девушки с индивидуальными видами спорта имели показатели индекса Баевского от 80 единиц до и 172,5 после тренировок. Установлены различия в показателях ФСО у лиц разной степени тренированности. Это дает основание думать о разном статусе ФМ в динамике ВСОЧ в фазовом пространстве состояний у этих групп населения Югры.
Литература
1. ЕськовВ. М. и др. // ВНМТ.- 2002.- Т. IX, № 3 - С.24-25.
2. Системный анализ и управление в биомедицинских системах.- Ч. V.- / Под ред. В.М. Еськова, А. А. Хадарцева.- Самара: Офорт, 2004.- 140 с.
3. Системный анализ, управление и обработка информации в биологии и медицине.- Ч. VI / Под ред. В.М. Еськова,
А. А. Хадарцева - Самара: Офорт, 2005.- 153 с.
4. Логинов С.И. Физическая активность: методы оценки и коррекции.- Изд-во СурГУ, 2005.- 342 с.
УДК 616-071; 621.391
НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-СИСТЕМНЫЕ ПОДХОДЫ И ПАРАДИГМЫ В КЛИНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКЕ
В. И. АДАЙКИН, В. М. ЕСЬКОВ, В.Г.ЗИЛОВ, О. Е. ФИЛАТОВА,
А. А. ХАДАРЦЕВ*
Введение. Ныне курсы медицинской кибернетики (МК) и клинической кибернетики (КК) активно вводятся в учебные планы медицинских вузов, институтов, академий и университетов (классических и медицинских). Приобщение будущих врачей к кибернетическим технологиям - дело нужное и перспективное. Но часто читаемые курсы являются ознакомительными, и ограничены кратким знакомством с предметом и сдачей зачета.
Фактический материал, представленный в этих курсах, в основном, базируется на элементах математической статистики, биометрии, некоторых разделах информатики (понятия алгорит-мирования, азы программирования, некоторые другие разделы информатики в прикладном медицинском аспекте). В лучшем случае рассматриваются простейшие модели в виде дифференциальных или разностных уравнений, описывающих процессы фармакокинетики, динамики распространения ряда заболеваний, модели иммунитета, ряда других медицинских процессов.
Нам представляется, что это очень упрощенный подход к трактовке возможностей и реальных достижений МК и КК, которые на современном этапе развития естествознания все более активно опираются на последние достижения термодинамики неравновесных систем (к которым можно относить объекты современной теоретической и клинической медицины) и совершают настоящий переворот в базовых понятиях и информационном обеспечении медицины. Это связано не только с новым пониманием закономерностей, происходящих в живой природе, но и с активным внедрением основных понятий, методов, моделей и подходов в теории хаоса и синергетике при изучении биологических систем и конкретно человека.
Общие закономерности в развитии КК. Наука медленно отходит от классического детерминизма Лапласа (но не отбрасывает его полностью), который в 19-20 веках плавно перейдя в стохастический подход, т.е. в вероятностное описание процессов живой природы. Сейчас возникли новые понятия и парадигмы естествознания. Биологические динамические системы (БДС) описываются на молекулярном, клеточном, субклеточном, органном уровне и уровне систем органов, функциональных систем организма (ФСО) человека и популяционном уровне (теория эпидемий) в терминах компартментов и кластеров, русел и параметров порядка, областей джокеров и самих джокеров [1, 4-5, 7-8]. Используется не только традиционный системный анализ (СА) и системный синтез (СС), в рамках которого идентифицируются подпространства меньшей размерности, в которых вектор состояния организма человека (ВСОЧ) может описывать динамику поведения биосистем, основных движений вектора, соответствующих саногенезу и патогенезу. В рамках такого подхода ВСОЧ в т-мерном глобальном пространстве может описывать общее состояние БДС организма человека, причем заболевания определяют русла в динамике поведения вектора.
Самое важное достижение современной клинической кибернетики базируется именно на системном анализе и синтезе (САС) в рамках теории фазатона мозга (ТФМ). Становится возможным представлять и прогнозировать динамику того или иного заболевания с позиций теории систем, т.к. именно системное представление о саногенезе и патогенезе позволяет наиболее эффективно выбирать методы лечения, его стратегию и тактику. Теория фазатона мозга, компартментно-кластерный анализ и синтез различных БДС человека в норме и при патологии позволяют выбирать эффективные методы лечения, способы пролонгации активной жизни, создают новые представления о механизмах старения и смерти организма человека в разных условиях его проживания [2-3, 7]. Современная КК, базируясь на методах теории нечетких множеств, компартментно-кластерном подходе (ККП) и компартментно-кластерной теории биосистем (ККТБ), теории нейросетей и нейро-ЭВМ, обеспечивают новый уровень диагностики, лечения и прогнозирования состояний БДС человека в аттракторах состояний нормы и патологии. САС обеспечивает выбор тактики лечения с использованием синергетических
Сургутский государственный университет, 628400, г. Сургут, Энергетиков 14, СурГУ, (3462)524822, e-mail: [email protected]. г u
В. И. Адайкин, В. М. Еськов, В.Г. Зилов и др.
моделей, теории устойчивости БДС, нейрокомпьютерных технологий и интеллектуальных экспертных систем.
В высокоразвитых странах методы КК становятся лидирующими в диагностике и лечении многих заболеваний. Современные интеллектуальные системы на базе нейрочипов, новых алгоритмов идентификации БДС, основанных на изучении особенностей бифуркаций более высоких порядков (значительно меньших по амплитуде или длительности общепринятых динамик БДС), эффективно помогают заменить средний медицинский персонал, и являются действенными помощниками в работе врача, например, при постановке диагноза или выборе методов лечения. Эти новые экспертные системы входят в практику западных клиник, сочетая методы традиционной европейской медицины с методами древней и современной восточной медицины (последние всегда основывались на САС в рамках доступного информационно-логического уровня). Одно из направлений этого сочетания - интегративная медицина, без обучения которой отставание от высокоразвитых стран в креативной области, в повседневной, рутинной деятельности рядового врача будет увеличиваться, а разрыв между дипломом врача российского и европейского - будет нарастать. Не упустить возможности, дать информацию о последних современных достижениях КК - задача современного курса этой дисциплины [7].
Детерминизм, стохастика и хаос в медико-
биологических системах. Как было отмечено, происходит смена основных парадигм. Детерминистская продолжает существовать и развиваться как базовая, несмотря на положительную динамику стохастической и активно завоевывающей общее признание теории хаоса и синергетики. Возникает вопрос об устойчивости детерминистской парадигмы. Ответ прост, если разобраться в сущности происходящих изменений в базовых подходах естествознания. Детерминистский подход не отбрасывается полностью из-за хорошо разработанного математического аппарата, когда дифференциальные, разностные, интегральные или интегро-дифференциальные уравнения достаточно полно и удачно (но на коротких интервалах времени г) описывают многие процессы в природе. Сама идея прогноза в рамках детерминистсктого подхода в естествознании весьма заманчива тогда, когда мы знаем начальные параметры биосистемы (при t=0) и далее предсказываем динамику поведения вектор состояния организма человека в любой момент времени t>0 [2-3]. В детерминистской теории такая постановка проблемы сформулирована в задаче Коши, но людям хочется иметь ее решения на все случаи жизни! В стохастическом подходе задание начальных условий может повлиять на функцию распределения системы. Тогда можно говорить о значениях ВСОЧ в конкретный момент времени t не в виде точки в фазовом пространстве состояний, а говорить об облаке точек, среди которых может быть конкретная с определенной вероятностью. Часто при этом мы говорим не о конкретном значении, а об области П - V, внутри которой ВСОЧ может находиться.
Такие способы введения неопределенности уже частично приближаются к хаосу, в котором задание начальных параметров биосистемы (значения ВСОЧ x(t) при t=0) совершенно не определяет динамику поведения ВСОЧ и конечное состояние биосистемы. В этом смысле детерминизм и хаос - это два крайних положения, в общей таблице «определенность - полная неопределенность» (рис.1). Сегодня нет четких критериев в определении стохастичности или хаотичности процесса, равно как и в разграничении степени детерминизма и стохастичности реального процесса (рис. 1).
det. ——stoch. ——chaos
Рис.1. Иллюстрация состояний между тремя существующими подходами в естествознании
Говоря о детерминизме в поведении БДС, подразумеваем, что здесь имеет место стохастическая динамика, за которой неизбежно маячит хаос. Детерминизм в природе всегда иллюзорен, и он справедлив только в рамках определенной договоренности. В ракетостроении мы требуем, чтобы все детали были детерминистскими, а ракета в рамках такого подхода должна быть произведением детерминистских величин. Это значит, что если хоть одна деталь (блок, система) имеет вероятность выйти из строя (например, р>10-5), то вся ракета, состоящая из таких блоков, далеко не улетит. С организмом человека дело более сложное, так как повышение надежности в его работе природа обеспе-
чивает путем запараллеливания систем регуляции. Благодаря этому многие органы продолжают работать даже после существенных повреждений их частей. Например, при сильных черепномозговых травмах человек все-таки часто выживает (из-за запараллеливания в нейросетях, когда функции пораженных областей будут на себя другие нейросети). То же при инфаркте миокарда, других тяжелых заболеваниях, когда поражаются обширные зоны, но функции органов и тканей все-таки поддерживаются.
В живой природе запараллеливание обеспечивает сверхнадежность БДС, и вопрос о хаосе в организме человека так остро не стоит, но при этом хаос проявляется во всем. Запараллеливание и увеличение числа обратных регуляторных связей в БДС уводит динамику ВСОЧ из хаоса в аттракторы состояний, где, благодаря именно этим обратным регуляторным связям, хаотическая динамика БДС становится стохастичной (возникают разбросы вокруг средних значений), а в ряде процессов можем для описания довольно успешно применять и детерминистский подход. В последнем случае мы можем пренебрегать реально существующим хаосом и возможной стохастичностью на коротких интервалах времени т для конкретного организма г.
Как только начинаем изучать любой процесс на примере ряда индивидуумов Гі, Г2, ... Гк,, то стохастический подход просто необходим (т.к. нужно усреднять выборку). Для отдельных же организмов из этой серии Гі мы можем получить явно выраженную хаотическую динамику, и в этом заключаются парадоксы соотношений между единичным объектом и их совокупностью. Не случайно ВОЗ ввел определение синдрома внезапной смерти, т.к. для большого сообщества (к ^ да) такие процессы уже не редки. Они стохастические, но выделяются как классический пример хаотической динамики.
В медицине стохастика имеет место на больших интервалах времени локально для отдельного индивидуума или в данный короткий промежуток времени т, но для многих индивидуумов (числом к) сразу, когда мы их объединили в группу наблюдений. И мы сейчас не даем определения, что такое «короткий промежуток времени т» и что такое «большое число индивидуумов к». Таких определений нет, и мы действуем от обратного, говорим об интервале т, в течение которого действует данная детерминистская модель или данный закон распределения. Или говорим о численности к, для которой процесс имеет стохастический характер, или он переходит в хаос. Границы размыты, и в этом сложность, но и преимущество всех 3-х подходов в естествознании.
Может ли претендовать КК на статус отдельной медицинской науки? Любая наука является таковой, если она имеет формальный аппарат, свои законы и закономерности, которые определяют взаимоотношения между величинами и понятиями, если она комплементарна другим наукам, знаниям, если она обладает прогностическими функциями. Прогноз, возможность научного объяснения фактов и прогнозирование процессов есть основа любой теоретической или экспериментальной науки.
До недавнего времени традиционная трактовка КК базировалась на знаниях из смежных областей: математической статистики, биометрии, теории вероятности, отдельных разделов информатики, курсов ЭВМ. До недавнего времени не было структуры этой науки, собственного математического аппарата (обособленного от других наук), и КК отличалась от вышеперечисленных наук только объектом исследований - человеком. С позиций биологии человек, как объект исследований, не имеет ничего особенного (кроме разума, основанного на работе мозга его второй сигнальной системой) в смысле организации функций организма, работы ФСО или работы органов, клеток, мембран и т.д. [3, 6-7]. Но в работе мозга человека на клеточном уровне, при изучении этих процессов в рамках подходов синергетики и ККП, условий функционирования ФМ, особенностей управления со стороны ФМ другими системами и заключается специфика функционирования такого объекта, как человек. Работа ЦНС, ФМ влияют на качество и длительность его жизни. Она может укоротиться (суицид) или удлиниться (пролонгирование за счет фази-ческого состояния ФМ). В этой связи возникают новые направления КК, например, в области психиатрии, неврологии, общей теории компартментно-кластерных БДС [2-3, 6-7].
Особенности организации сложных иерархических систем, регуляция которых ведется с помощью ФМ, изучаются в рамках ККП, синергетики и теории устойчивости БДС в наиболее современных разделах КК. В целом можно говорить о специфичности
В. И. Адайкин, В. М.
объектов изучения в КК, об особых методах в их изучении именно с позиций САС, с позиций аттракторов состояний ВСОЧ и фракталов, теории хаоса и синергетики. Эти специфические объекты базируются на изучении функционирования БДС организма человека. Теперь надо определить наличие специфических теорий изучения БДС человека на основе (и в рамках) КК.
Наиболее продвинутая в теоретическом отношении наука -это физика. Она имеет мощный формально-абстрактный аппарат, который базируется на ряде принципов. Наибольший гносеологический интерес для нас представляет вопрос о том, как в физике была решена проблема преемственности ее подходов, проблема перехода от детерминизма к стохастичности и далее к хаосу. Тогда мы можем попытаться провести аналогию и в КК. Напомним, что в XVII-XIX веках в физике господствовал детерминизм Лапласа. Классическая механика, молекулярная физика и даже электродинамика Максвелла конца XIX века хорошо описывали процессы в неживой природе. Но возникали все новые проблемы в термодинамике, молекулярной физике, которые уже не решались в рамках классической детерминистской теории. Броуновское движение, проблемы теплового излучения требовали новых подходов в рамках стохастического подхода, а квантовая механика потребовала отхода от детерминизма, когда ввела уравнение Шредингера, принцип неопределенности Гейзенберга и волновые свойства любого тела с помощью волн Де Бройля.
Период торжества стохастического подхода был короток (<100 лет он удерживал свои позиции) и на смену ему приходит другое понимание законов развития материи, которое основывается на теории хаоса и синергетике. Вторая половина 20-го века ознаменовалась появлением термодинамики неравновесных систем (ТНС), которая ввела свои понятия и законы. Теперь мы оперируем с понятиями параметров порядка и русел, джокеров и аттракторов, и закономерности тут более реальные. В рамках синергетического подхода возможно объединение европейской медицины с древней восточной, основаннойна системных представлениях, аттракторах и фракталах существования БДС. Рассмотрим основные аналогии между физикой и КК [2].
В физике имеет место принцип соответствия (ПС), когда одна теория переходит в другую в рамках ряда допущений и предположений. Классическая механика (КМ) переходит в релятивистскую механику (РМ), если предположить, что скорость света конечная, и, наоборот, при с—ю из законов релятивистской механики мы всегда получим законы КМ. Квантовая механика (КвМ) получается при условии, что постоянная Планка к=6,64*10-32 Дж/с (и энергия фотона Иу) ^0. При отрицании двух этих условий (т.е. с— <х> и к ——0) мы получаем законы релятивистской квантовой механики (РКвМ) (рис. 2).
Рис.2. Соотношение между разделами физики
Предположим, что в КК можно образовать подобие принципа соответствия. Однако аналогии, ограничивающие переходы (или их разрешающие) между теориями, будут базироваться не на конкретных физических величинах, а на пространственновременных ограничениях и ограничениях на численность элементов или подсистем, образующих данную БДС или весь организм человека. Это объясняется тем, что базовые принципы синергетики хорошо работают в сложно организованных БДС, состоящих из очень большого числа N элементов (клеток, подсистем, компартментов). Наоборот, в органическом мире живой природы нет тождественных объектов, которые одинаково организованы, имеют одинаковые системы регуляции и состав биосистем.
Постулируем в рамках современных представлений, что для БДС можем использовать только бихевиористический подход, т.е. наблюдать вход и выход. Как себя ведет каждая клетка или даже молекула вещества, обеспечивающего функцию в БДС (молекула дофамина, адреналина или ацетилхолина, например, при регуляции ФСО), для нас всегда остается тайной. Это базовый постулат в теоретической биологии и медицине (ТБМ). Тогда любая БДС может давать приблизительно одинаковую
Еськов, В.Г. Зилов и др.
реакцию (укладывающуюся в закон распределения) только на ограниченном интервале времени є (т—є) и в ограниченных объемах пространства (іі¥—л)л. Поведение БДС за интервалами є и за объемами л может быть уже непредсказуемо. Тогда и говорить о детерминизме или стохастичности процесса нет смысла. Последний постулат носит гипотетический характер. Он и очевиден, т.к. организм человека, его ВСОЧ постоянно изменяются. Мы стареем, умираем, и отобранная группа схожих индивидуумов через месяц будет иметь уже другие параметры и другие реакции на внешние воздействия, порой диаметрально противоположные. Этот агностицизм в совокупности с принципиальной непознаваемостью любой БДС в аспекте ее бифуркаций и в рамках бихевиористического подхода накладывает жесткие ограничения на величины є и л, на возможность исследования БДС в рамках стохастического подхода.
В медицине врачи или ученые об этом не задумываются, объединяя в группы людей, внешне кажущихся одинаковыми с признаками того или иного заболевания. Но каждый из пациентов жил своей жизнью до этого, заболевание развивалось у каждого по-разному, а терапевтические, хирургические и т.д. воздействия дадут разную реакцию (на микроуровне) организма каждого пациента. При этом можем утверждать, что регуляторные системы в организме постараются (!) привести все к общему знаменателю, «попробуют» сделать так, что выздоровление уложится в законы функции распределения. Если же с кем-то этого не происходит, то мы воспринимаем это как досадное недоразумение. Но в рамках хаоса это - закономерность.
В рамках бихевиористического подхода мы даже не интересуемся, как ведет себя ВСОЧ по всем координатам, нам важна динамика параметров порядка, русло, которое нам говорит, что все в пределах допуска. А как организм все это восстанавливает, приводит в среднестатистические рамки, мы этим даже не интересуемся. И никогда не изучаем последствия терапевтического (или другого) вмешательства на все остальные регуляторные системы (т.е. не исследуем динамику Хі для всех і=1, ...к, ... т). Мы только работаем в пределах некоторого к-мерного фазового пространства состояний БДС, при этом может быть к<< т.
Такой подход допустим в изучении сверхсамоорганизован-ных (с высокой степенью синергизма) систем, которой является организм человека. Однако в технике он не допустим. Там надо знать все об объекте и в результате эксперимента, потом объект досконально должен изучаться, если произошли сбои в его работе. Ситуация с БДС в медицине очень напоминает ситуацию с жителями ХМАО, которых могут хорошо обслуживать здесь в округе с точки зрения медицины, но потом, когда они стареют и уезжают в центральную часть РФ, о них забывают и они живут и умирают по неизвестным законам (считается, как и все жители РФ, которые на Севере не жили 20 и более лет). Такова правда жизни для нас, жителей Югры. Наша старость никем не изучается и не мониторируется, а ведь это важный аспект изучения организма человека, живущего на Севере.
Попутно отметим, что все описанное выше попадает под базовые принципы синергетики, когда число элементов п^-да и динамика поведения отдельных элементов не имеет значения, а важна динамика поведения всей кооперации (клеток, систем органов и т.д.). Такое безразличие к отдельным элементам компенсируется самоорганизацией всех подсистем и получением положительного эффекта от действия всей системы. В этом проявляется принцип системности, когда состояние элемента может не соответствовать состоянию всей системы. В синергетике принципиально работаем с кооперацией элементов, с подсистемами и системами, в которых элементы не являются объектом исследований. Тогда мы можем работать с руслами и параметрами порядка. В синергетике можно моделировать работу общей системы (организма человека) с позиций СА. Поведение отдельных элементов или подсистем не рассматривается в рамках стохастического подхода, т.к. последний имеет свои особенности, что представлено на общей схеме разных теоретических подходов в ТБМ (рис. 3.). На рис. 3 стохастика представлена в виде блока 8ґ. В рамках подходов синергетики $уп) мы работаем с параметрами порядка, с руслами, в пределах которых динамика БДС может описываться детерминистскими моделями в фазовом подпространстве размерностью к. Синергетический подход (блок 8уп) занимает отличное положение от детерминистского подхода (Вві) и стохастического подхода $ґ). В детерминистском подходе мы стараемся работать с общим т-мерным фазовым пространст-
В. И. Адайкин, В. М. Еськов, В.Г. Зилов и др.
вом, в котором каждая фазовая координата Х( имеет значение, которое надо идентифицировать. В стохастике мы имеем функции распределения и характер взаимодействия Х( между собой. При этом влияние на БДС внешних драйвов и<Л уже не имеет столь существенного значения (хотя это может быть предметом исследований со стороны ТБМ).
В синергетическом подходе мы должны выполнить СС, выяснить наиболее значимые переменные х^, которые образуют к-мерное подпространство (к< т), в котором БДС наиболее удачно описывается с позиций синтезированных моделей. Причем все эти 3 подхода имеют свои различия по принципам идентификации, математике, использованной в каждом из этих подходов, и по получаемым при этом результатам. На больших интервалах времени (х>>£) и в больших объемах пространства ((¡¥>>¡1) мы имеем «классический» хаос, когда задание начальных параметров системы не определяет дальнейшую траекторию развития х и его конечное состояние. Для отдельного человека такой интервал г>>8 может быть соизмерим с длительностью его жизни, когда среднестатистические параметры могут полностью не соответствовать реальной динамике жизни отдельно взятого человека.
ККТЕ Det dV —► (1 z —► в > Стохастика St
—► со ' ■ ' n—► к
Синергетик л dV—► га Хаос
t —► оо Chaos
Рис.3. Соотношение между детерминистским (Det), стохастическим (St),
синергетическим (Syn) и хаотическим (Chaos) подходами в КК
Известный российский писатель (нобелевский лауреат) тяжело болел онкозаболеванием, и его жизнь с учетом тех условий, в которых он находился (лагерь для заключенных), должна быть короткой, а он до сих пор живет и творит на радость нам. Детерминист скажет, что это невозможно, стохастик - это гигантская флуктуация, а специалист по синергетике скажет, что это вполне нормально, что писатель вышел из мортального аттрактора, а его регуляторные системы поддержали его жизненные силы. В рамках теории хаоса и синергетики динамика жизни человека - это классический хаос, т.к. он живет один раз, никакой статистики на этого человека нет (единичное и случайное явление), и его ВСОЧ может легко переходить из одного аттрактора в другой.
При этом существуют аттракторы нормы (саногенеза), и их может быть много с учетом динамики возраста, условий среды Существуют и аттракторы патологий, особенно когда патология принимает хронический характер. В последнем случае человек до конца своей жизни может находиться в данном аттракторе патологии В случае смерти человека говорить о динамике поведения его ВСОЧ не имеет смысла. Если человек меняет среду обитания (idV>>л), попадает в экстремальные условия, то говорить о динамике поведения ВСОЧ тоже не имеет смысла - без дополнительных исследований его аттрактора ВСОЧ.
Для популяции вида Homo sapiens тоже существуют свои значения т и dV . Нужно иметь в виду, что развитие человечества
- это единичное и случайное явление, для которого будущее непредсказуемо (существует масса угроз: астероидная, нестабильность магмы Земли или состояния Солнца, супервирулентность микроорганизмов с глобальной пандемией и т.д.). Исходно всегда можем говорить о хаотической динамике нашего вида, т.к. повторения эволюции вида Homo sapiens на Земле мы не имеем, и применять методы статистики или детерминистского подхода не можем. Мы живем по законам синергетики (блок Syn) в ряде аттракторов состояний большого хаоса, имя которого «жизнь на Земле» и конкретно эволюция вида Homo sapiens (HS).
Надо четко представлять условность подхода Det и St (рис. 3), большую (повседневную) реальность Syn и глобальную, на больших т и dV зависимость от хаоса (Chaos - блок). Очевидно, что жизнь за пределами Земли (dV>V3eMm) уже становится хаотичной, т.к. в открытом космосе любая частица может создать угрозу жизни человека в скафандре или даже в космическом корабле. На других же планетах наше существование вообще непредсказуемо (условия там не изучены). Тогда справедливость всех 4-х подходов сообразуется интервалами времени и про-
странства, в которых существует человек или человечество, и надо каждому представлять границы постижимости и устойчивости существования как человека, так и вида Homo sapiens.
Общее рассмотрение проблемы становления и развития КК как отдельной науки основывается, конечно, не только на выполнении принципа соответствия. При этом аргументации в пользу схемы 3 (и ее сравнения с 2) показывают огромные возможности современной КК, универсальность и всеобщность подходов Syn и Chaos, которые стоят над подходами Det и St. Представлять КК как побочную ветвь общего St подхода применительно к человеку (как это делается сегодня в вузовской трактовке курса КК) недальновидно, если и не глупо. Познание организма человека должно происходить в рамках всех 4-х подходов, причем в каких-то приближениях можно обойтись и рамками Det, в каких-то St, а в более общих случаях нужно использовать Syn.
Основной упор делаем на подходы Syn к Chaos (рис. 3), опуская St, как наиболее хорошо представленный подход в других работах. При этом мы стараемся перебросить мостики от Det к Syn и Chaos, чего никто не делал, т.к. обычно пытаются сразу перейти от St к Syn и Chaos [4, 5, 8]. Мы стараемся доступно показать возможности прямого перехода от Det к Syn и Chaos, представить методы такого перехода, которые нами были разработаны и запатентованы. В рамках таких переходов можно отыскивать параметры порядка и размерности к подпространств, в которых динамика БДС описывается наиболее удачно и полно.
С позиций подхода Det, как нами было установлено [2-3, 8], но с учетом реальностей Syn и Chaos становится возможным отыскивать области джокеров для БДС, находящихся в биологических стационарных режимах (БСР) и отыскивать сами эти джокеры, т.е. правила, по которым работает БДС, находясь за границами устойчивости, выходя за пределы СР. Мы разработали новую теорию устойчивости БДС в рамках единства 3-х подходов. При этом мы сравнили ее с классическим подходом А.М. Ляпунова и показали ее преимущества и недостатки. Теория хаоса и синергетика должны показать перспективы и возможности в развитии КК на современном ее уровне, а это уже то, что до нас никто не делал при изложении этого курса. Все эти вопросы рассматриваем с позиций САС, что важно для будущего развития КК как науки, которая должна занять лидирующее место в медицине, т. к. без системного подхода лечить человека уже невозможно. Необходимо единение восточной и западной медицины, чтобы отслеживать процессы выздоровления и на локальном уровне, и на общеорганизменном, системном уровне.
Учет всех этих уровней и параметров должен обеспечить не только выздоровление человека, но и его пролонгированную, активную жизнь в будущем. Таковы новые задачи КК в аспекте ее системных подходов и внедрения новых методов в клиническую медицину. КК оказывает помощь врачу в понимании новых системных подходов, в изучении и управлении патогенезом. Эта наука (КК) на базе подходов Syn и Chaos может дать новое понимание в теории саногенеза. А это уже совершенно другая перспектива для медицины. Если мы научимся понимать условия регуляции функций организма в норме, и условия, при которых саногенез переходит в патогенез, то мы можем научиться управлять и корректировать такие переходные процессы. Мы говорим о профилактике заболеваний или о смягчении их тяжести, но для этого необходимо понимать, что такое саногенез и условия перехода к патогенезу. Это хорошо понимают восточные медики, т.к. они работают на системном уровне в рамках САС. Не обладая современными техническими средствами диагностики и лечения (включая и фармацевтику), они получают существенные результаты в лечении. Достигается же это за счет системных воздействий на ФМ, ФСО здорового организма (лучше повысить сопротивляемость болезни, обеспечить надежный саногенез, чем лечить потом хронические заболевания), и уже заболевшего.
С помощью методов КК мы придем к новой медицине, которая успешно обеспечит саногенез организма любого человека. Патогенез будет рассматриваться как редкое исключение из правил. Однако для этого необходимо выбирать другие ориентиры, необходимо создавать динамические атласы организма человека (ДАОЧ) для каждого члена общества и следить за динамикой, поведением ВСОЧ при дискретно-непрерывном режиме мониторирования его движения аттракторе саногенеза. Заболевания будут редки и без тяжелых последствий для пациентов. В таких условиях роль врача (клинического кибернетика) будет повышаться, а больницы перейдут в станции мониторинга ДАОЧ
Статья
и ВСОЧ для каждого жителя любого населенного пункта. Для такой будущей медицины уже сейчас можно начинать готовить профессиональные кадры врачей-кибернетиков. Именно такие специалисты должны разбираться в тонкостях санно- и патогенеза, уметь работать с новой интеллектуальной диагностической аппаратурой. Прообразы подобных медицинских учреждений уже начинают появляться в Швеции и Норвегии, где home-monitoring поставлен на довольно высокую ступень автоматизации (благодаря сотовой связи и подготовленным кадрам).
Теория хаоса, синергетика лежат в основе современной КК. При этом в синергетике мы не работаем с элементами, образующими систему, которая может состоять из блоков, компартмен-тов, кластеров. Мы работаем с множествами элементов (блоков, компартментов, кластеров), которые обеспечивают функцию (органа, системы и т.д.) или входят в структуру, обеспечивающую нужную функцию. При этом важен результат действия этой структуры, ее функция, а способ достижения результата может быть неизвестным. Такая система хорошо себя зарекомендовала в теории нейросетей мозга, в теории нейро-ЭВМ. Там исходно организация связей в нейросети не имеет значения, важен конечный результат, а он может быть достигнут множеством способов.
Именно этот принцип лежит в основе работы мозга человека. Все наши попытки как-то изучить закономерности особенно сложных БДС, таких как мозг, обречены на провал. Когда мы выключаем (разрушаем, воздействуем химическими модификаторами) отдельные структуры мозга, то просто получаем другой мозг, другие нейронные сети, а попытка узнать работу исходного мозга - безнадежная задача. Те же процессы протекают с другими органами, тканями, регуляторными системокомплексами (например, вегетативным). Если их поражает болезнь, то это уже другие органы, другие ткани. В физике мы имеем нечто подобное в реализации принципа неопределенности Гейзенберга, когда, уточняя одни координаты, мы ухудшаем параметры других.
В рамках такого бихевиористического подхода, когда мы постулируем, что строение и функции нами до конца не будут познаны, т.к. элементов очень много, а их связи постоянно меняются, организм стареет, болеет, и т.д., мы должны говорить о компартментно-кластерном анализе и синтезе (ККАС). В этом случае для нас не имеет значения, как организован компартмент, а главное, какие функции он выполняет. Элементы, образующие компартмент (а компартмент образует кластер), в рамках синергетического подхода выполняют функции, и это то, что их объединяет. При этом можем строить модели систем, получать прогноз поведения объектов, и это все и лежит в основе ККАС.
ККАС лежит в основе ТХС, но вообще это направление развивается весьма успешно последние 30-40 лет, почти синхронно с ТХС. Эта синхронность не случайна, т.к. именно в 5060-х гг. стали понимать всю сложность познания мира, его хаотичность и синергизм, и необходимость разработки новых теорий и подходов. Не случайно и то, что ККАС возник первоначально в рамках теории нейросетей, где хаотичность и синергизм в динамике наиболее выражен. Теория нейросетей мозга (ТНСМ) и нейро- ЭВМ на ее основе обеспечили определенный прорыв в современной детерминистской компьютерной технике и увели человечество из области алгоритмов в область обучения, из области детерминизма в область стохастики нейро-ЭВМ (хаос по связям, стохастика на выходе в принимаемых решениях).
Вся эта синхронность и поэтапность в возникновении ТХС, ККАС, ТНСМ и НЭВМ была закономерна, т. к. это все звенья одной цепи - переход человечества от детерминизма и стохастики к хаосу и синергетике. Ветвью этого развития естествознания является новое направление в КК. Оно новое не только по методам, методикам, подходам и результатам. Оно новое по целям и задачам, когда от лечения заболевания (когда врач болезнь воспринимает как должное) начинаем переходить к динамическому атласу каждого жителя Земли, и прогнозировать его саногенез и возможный переход в патогенез, к организации мониторинга БДС для всех людей и к индивидуальному подходу в изучении организма каждого, где хаос и синергетика так сильны, а их учет так необходим. Это и означает переход от стохастики к хаосу и синергетике в методах лечения и прогноза исхода. А это уже задачи новой биокибернетики, теории БДС, КК.
Литература
2. Еськов В.М. Компартментно-кластерный подход в исследованиях биологических динамических систем (БДС).-Ч.1..- Самара: НТЦ, 2003.- 198 с.
3. Еськов В .М. и др. Экологические факторы ХМАО: Ч. II.-Самара: Офорт, 2004.- 172 с.
4. Малинецкий Г.Г. Хаос. Структуры. Вычислительный эксперимент.- М.: Эдиториал УРСС, 2000.- 256 с.
5. Новое в синергетике: Взгляд в третье тысячелетие.- М.: Наука, 2002.- 478 с.
6. Скупченко В.В., Милюдин Е.С. Фазатонный гомеостаз и врачевание.- Самара: СамГУ, 1994.- 256 с.
7. Хадарцев А.А. и др. Системный анализ, управление и обработка информации в биологии и медицине. Ч. IV.- Тула: Тул-ГУ.- 2003.- 203 с.
8. Хакен Г. Принципы работы головного мозга.- М.: Рег8е, 2001.- 352 с.
УДК 574Э4.5
НОВЫЙ МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ ХАОТИЧЕСКИХ И СТОХАСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭКОСРЕДЫ
В.И. АДАЙКИН, М.Я.БРАГИНСКИЙ, В.М. ЕСЬКОВ, С.Н. РУСАК,
А. А. ХАДАРЦЕВ, О.Е. ФИЛАТОВА*
Базовыми проблемами относительно молодой науки синергетики являются проблемы идентификации параметров и русел динамических систем, диагностики превалирования хаотических или стохастических режимов поведения, например, биологических динамических систем (БДС). И если первая уже решена для БДС, находящихся в стационарных режимах, в т. ч. и нашими усилиями, то второй блок проблем остается нерешенным на уровне формального (алгоритмизируемого) решения. Разработанный нами подход используется для оценки состояния функциональных систем организма (ФСО) человека, пр..
Сейчас теория хаоса и синергетика (ТХС) подошли к пониманию природных процессов в терминах русел и параметров порядка, когда вектор состояния БДС описывается в подпространствах, меньших размерности к. Например, для характеристики климата мы можем использовать три параметра, которые полно дают оценку экологического состояния территории и климата: температуру воздуха Т°К, влажность Я (обычно используют относительную влажность) и атмосферное давление Р. Именно эти три параметра могут характеризовать любую территорию с экологической или климатической точки зрения, и именно они могут задавать параметры порядка экосреды и влиять на динамику вектора состояния организма человека (ВСОЧ) [2-3]. Для территории с низкой годовой температурой мы можем говорить об арктическом климате или о суровых зимах, жарком лете и т.д. В районах Земли, где низкая влажность, мы говорим об аридных зонах, а для больших Я (Я ->100%) мы говорим о тропических зонах с высокой влажностью и т.д. Если рассматривать эти показатели на больших интервалах времени (тысячелетия), то можно говорить о динамике климата. Все эти характеристики приняты в экологии и широко используются для определения параметров отдельных территорий или даже целых континентов.
В рамках теории хаоса и синергетики (ТХС) и с использованием компьютерных технологий был выполнен анализ динамики поведения вектора состояния экосреды в т-мерном пространстве, на основе которого сделали обоснование и разработали критерии оценки различий между стохастической и хаотической динамиками поведения параметров метео- и экофакторов среды обитания на примере г. Сургута. Мы разработали критерии оценки различий между стохастическими и хаотическими процессами в многомерном фазовом пространстве путем анализа параметров многомерного параллелепипеда (объема V, координат его геометрического центра хс). После апробирования на данных по состоянию метео- и экофакторов среды Югры выявлено, что чем больше расстояние между геометрическим и среднестатистическим стохастическим центром в фазовом т-мерном пространстве, тем ярче выражена мера хаотичности в динамике поведения вектора состояния экофакторов среды. Аналогичные данные олучены и при анализе поведения ВСОЧ (для разных ФСО человека на Севере, подвергающихся действию хаотически меняющихся метео-, экофакторов урбанизированных территорий).
1. Братимов О.В. и др. Практика глобализации: игры и правила новой эпохи.- М: ИНФРА, 2000.- 195 с
Сургутский государственный университет, 628400, г. Сургут, Энергетиков 14, (3462)524822, e-mail: [email protected]
